肖 彪

(中山市水利水电勘测设计咨询有限公司，广东 中山 528400)

水利工程往往处于地形地貌相对复杂的区域，同时水利工程测量涉及地形测绘、地上建筑物测量、水下构筑物测量、管线测量等诸多测绘内容，且不同水利建筑物、构筑物所处的地形环境、自身结构特点各不相同，水下测绘、线性工程测绘交错，为工程测量任务带来了很大的难度。传统的测绘方法主要基于人工测量，控制点选择极为困难，效率低、宏观性差；无人机测绘虽然效率高，但是受航空管制、气候条件影响较大，且后期处理数据量大，对人员素质和设备先进性要求较高。因此，本文提出在保证测量成果精度的情况下，利用无人机辅助人工测绘控制网布设，以解决上述问题[1- 2]。

1 研究背景

本项目位于广东省中山市翠亨新区DM项目区，该项目为兼具防洪和调蓄功能的水利工程，工程大堤全长5.67km，如图1所示。该区域为飞行管制区，小型无人机限制航行高度30m，因此，该区域无法单纯利用无人机实现高精度高效航测以及项目区域全景航测，为此，本文提出，利用无人机航测速度快，响应效率高的特点，辅助DM水利工程项目区测绘控制点位选择与控制网布设，以避免人工测绘宏观性差、选点效率低的问题，从源头上优化测绘控制网布设方案[3- 4]。

图1 项目地理位置图

2 技术手段

由于翠亨新区属于亚热带季风气候，同时DM项目区四面环水、东临X河干流，风力较大，降雨较多，因此在无人机航测设备选择上主要考虑抗风、防水、长续航、定点悬停等因素，本文选用飞马D2000四轴多旋翼无人机，该航测无人机搭载四轴高转速线性马达，可以抵抗6级大风，在5级大风中可维持定点稳定悬停，满足10km测控需求，可完全覆盖DM测控区域；其搭载的D-CAM2000有效像素2430万，可在30m限高飞行情况下完成控制网带状测绘区域数据采集[5- 6]；GNSS接收机、全站仪为传统测绘设备，主要用于控制测量及碎步测量、断面测量及、地形图测绘、高程控制测量，各设备具体参数详见表1。

表1 硬件设备主要参数表

为进一步配合外业测量控制网布设需求，完成内业数据处理任务，本文分别选用南方CASS、LEICA Geo Office、KS平差、Smart 3D等软件完成测绘图形编辑、校准、平差、建模、选点等工作[7]，具体详见表2。

表2 主要应用软件选择情况

3 研究方法

由于DM水利工程紧邻X河干流，空气湿润，折射率高，同时该区域呈带状，地形呈现中部高南北低的特征，传统的测绘方法在地块长轴向误差会随着单元测量误差的累计逐渐增大，同时，在测绘过程中单向误差的增大将会导致测绘域的局布扭曲，本文将测绘域进行微分，如图2所示。当εy逐渐增大而εx和像元中心点不变时，将会导致该区域在空间上发生扭曲，因此，需要在空间上建立坐标定位控制网，实现测绘点位的校准与修复。

3.1 控制点的选择

由于本文所述案例DM水利工程涉及地形测绘、地上建筑物测量、水下构筑物测量、管线测量等诸多测绘内容，水下测绘、线性工程测绘交错，因此需要同时对平面控制点和高程控制点进行交叉布设，以形成三维控制网，由于DM项目区地形条件复杂，地形狭长，轴距较大，本文选用飞马D2000辅助控制点选择。主要控制点均布设在大堤50～300m范围内、过渡控制点布设于控制网中心区域、控制点尽量保证两两通视。本文利用Smart 3D实景三维建模软件将112张无人机低空航测影像进行点云投影，形成控制点布设区实景模型带，经过对该区域的宏观分析，最终选择大堤50～300m范围内可通视控制点位20个，如图3所示。

本文选取控制点标石为平面与高程共用标石，4等级控制点全部为水泥路面刻石，外围刻制20cm×20cm×3mm方框，方框内刻制点号并用红油漆标注方便寻找。平面控制网测量采用无人机进行观测；平面控制网静态观测使用中海达V60 GNSS接收机进行，航测要求见表3。

高程控制测量严格依据四等水准测量的要求进行观测，并按规范进行计算平差，高程控制网采用闭合路线与附合路线组成的水准路线网，技术要求见表4。

图2 测绘域微分示意图

图3 控制点位平面位置示意图

表3 无人机取样点技术要求

表4 四等水准测量精度要求 单位：mm

3.2 控制网数据处理

本文所述案例平面系统选取CGCS2000坐标系，中央子午线114°00′，高程投影面0；以中山统一坐标系为本坐标系为本项目的主要坐标系，中央子午线为113°22′，高程系统选用珠江高程基准，等高距为0.5m。平面起算点使用中山市国土资源局2015年复测的中山整个区域的D级、E级控制网成果(该成果已经通过上级测绘部门验收，成果精度可靠)，起算点坐标数见表5。

表5 D级控制点起算坐标

高程起算点使用中山市国土资源局2015年复测的中山整个区域的二等、三等水准网成果(该成果已经通过上级测绘部门验收，成果精度可靠)，起算点坐标数见表6。

表6 高程控制点起算坐标

4 控制网平差计算及精度分析

4.1 平面控制网平差计算及精度分析

本文采用中海达HGO 2.02进行基线处理，基线处理各项指标满足四等要求，基线处理合格后再进行控制网平差。4等网基线处理后形成70个同步环，25个异步环，闭合差均满足GPS(四等)精度要求。三维无约束平差中，所有基线分量的改正数绝对值均满足：VΔX≤3σ，VΔY≤3σ，VΔZ≤3σ要求。最终，4等网三维无约束平差计算后最弱边和最弱点统计见表7。

本文以25GE33、25GE72、ZS28 E级点作为起算数据进行二维约束平差，平差前对起算点进行兼容性检查，兼容性检查结果见表8。

表7 四等网三维无约束平差分析表

表8 二维约束平差兼容性检查分析

综上分析，本文所选取的3个抽样点精度可靠，能够满足作为本项目平差约束点的要求。二维约束平差计算后，最弱点点位中误差最大为2.94mm(Ⅰ06)，最弱边Ⅳ01-Ⅳ03的边长相对中误差为1∶121311，小于规范要求的1/40000，所有相邻点的坐标分量及其相对中误差均满足限差要求。

4.2 高程控制网平差计算及精度分析

高程数据处理采用武汉大学测绘学院KS地面控制测量数据处理系统进行平差并评定精度。高程控制网采用4等水准观测方法施测，测段点数20个，水准线路总长度21.52km，测段平均长度1.08km，最短测段长度0.09km，最长测段长度8.11km。先验单位权中误差5.00mm，后验单位权中误差17.17mm，评定精度采用中误差17.17mm，PVV(mm2)为589.4784。同时，最弱点高程中误差17.36mm，最弱测段高差中误差16.99mm，高程控制网最弱点(I2、I3和Ⅳ008)高程中误差为17.36mm，优于规范要求±25mm，闭合差9mm，优于规范要求±90.46mm。经过统计，本次高程测量各项精度指标均满足GB/T 12898—2009《国家三、四等水准测量规范》精度要求[8]。

4.3 高程点外业检查

此外，本文对闭合路线高程闭合差进行了复测，复测合格，复测成果详见表10。

4.4 控制点边长检查

本文对项目现场各控制点边长进行了抽样检查，运用Random函数随机抽取2个抽样点，抽查结果如表11所示。通过边长检查可以得出本项目内部精度满足规范小于1/40000的要求。

4.5 控制点拟合分析

为进一步论证本文所述控制点布设方法的准确性，本文利用Matlab回归计算工具箱，将20个控制点分别在平面、立面进行了数据拟合[8]，并与经过多次校准后的控制点位数据进行对比分析，对比结果如图4所示。

表9 高程控制点检测

表10 高程闭合差复测成果表

表11 控制点边长抽样检查

图4 控制点拟合曲线图

经过对比可知，无人机辅助控制网布设过程中，控制点位精度在立面上与经过多次校准后的控制点位数据高程一致，精度极高，在平面上与经过多次校准后的控制点位数据局部略有差异，但最大误差值小于10cm，满足精度要求。经过分析可知，该误差主要呈现在东西向，其原因为东西向轴距较短，误差较小，在精度要求范围内，本文没有针对东西向误差进行集中修正，与实际情况相符。

5 结语

经过上文所述分析，运用无人机辅助水利工测量程控制网布设，在平面控制网布设、高程控制网布设、外业及边长检查等过个方面均能够满足相关规范的精度要求。同时，借助无人机灵活、高效的优势，原工期3d的控制点布设任务，在1d内就全部完成，大幅提高了测绘点位选取与布设效率。在控制网布设过程中，控制点位精度在立面上与经过多次校准后的控制点位数据高度一致，精度极高；在平面上与经过多次校准后的控制点位数据局部略有差异，但在精度要求范围内。因此，本文所述方法具有较好的应用效果与研究意义。